典型咪唑類離子液體萃取水質(zhì)組胺效率的研究

宋志軍，蔡美強

1(浙江工商大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，浙江 杭州，310018) 2(浙江工商大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州，310018)

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典型咪唑類離子液體萃取水質(zhì)組胺效率的研究

宋志軍1*，蔡美強2

1(浙江工商大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，浙江 杭州，310018) 2(浙江工商大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州，310018)

以離子液體([CnMIM]X：n=4、6、8、10；X=BF4-1、PF6-1、Br-1、Cl-1)為萃取劑，采用液-液分散微萃取技術(shù)及HPLC-UV檢測方法研究了典型咪唑類離子液體萃取富集水質(zhì)組胺的性能。結(jié)果表明：親水性離子液體優(yōu)于疏水性離子液體；隨著取代基碳鏈的增長，BF4-1、PF6-1型離子液體萃取能力先增強后減弱，而Br-1、Cl-1型離子液體則呈現(xiàn)減弱趨勢；陰離子對萃取效率的影響基本遵循BF4-1>PF6-1>Br-1>Cl-1的規(guī)律；常用超聲、微波輔助萃取手段能有效提升組胺的萃取效率，且前者較適用于Br-1、Cl-1型離子液體，后者則較適用于BF4-1、PF6-1型離子液體。

咪唑類離子液體；組胺；萃取效率；分散液-液微萃??；HPLC-UV

組胺(histamine)是組胺酸在組氨酸脫羧酶的作用下脫去羧基后形成的一種胺類物質(zhì)，是生物胺中對體健康影響最大的物質(zhì)之一[1]；水產(chǎn)品尤其是一些青皮紅肉魚類，在長時間貯存或腐敗情況時易產(chǎn)生組胺，當(dāng)食用后會發(fā)生過敏性食物中毒，嚴(yán)重時可危及生命[2-5]。目前，已建立了眾多水產(chǎn)品中組胺的檢測方法,如分光光度法[6]、薄層色譜法[7]、氣相色譜法[8]、毛細管電泳法[9]和高效液相色譜法[10-11]等。因組胺在待測樣品中的低濃度水平及樣品自身基質(zhì)的復(fù)雜性，檢測前需對目標(biāo)物進行萃取分離富集預(yù)處理。其常用的預(yù)處理方法有固相萃取法[12]、固相微萃取法[13-14]、液相微萃取法[15]及液-液微萃取法[16]等，在此過程中會使用大量的有毒、易爆、易燃、易揮發(fā)的有機溶劑，不僅價格昂貴、步驟繁瑣，而且會帶來二次環(huán)境污染問題。

離子液體(ILs)作為一種新型的綠色、多功能型溶劑，其自身具有低蒸汽壓、寬液程、高溶解性(溶解大多數(shù)有機物)、熱穩(wěn)定好、無二次污染等特點，非常適合作為萃取富集(尤其是微萃取)溶劑；且與傳統(tǒng)有機溶劑萃取劑相比，具有無毒、安全、簡便、快速、富集能力強等優(yōu)點；眾多研究者[17-21]已將其應(yīng)用于多種有機物、無機物的萃取分離，結(jié)果顯示離子液體的萃取能力在一定程度上優(yōu)于傳統(tǒng)有機溶劑。本文基于國標(biāo)《水質(zhì)組胺等五種生物胺的測定—高效液相色譜法》(GB/T21970—2008)[22]，以典型咪唑類離子液體([CnMIM]X：n=4、6、8、10；X=BF4-1、PF6-1、Br-1、Cl-1)為萃取溶劑、以水質(zhì)組胺為目標(biāo)物，利用分散液-液微萃取技術(shù)、HPLC-UV法，詳細研究了咪唑類離子液體的水溶性、陽離子結(jié)構(gòu)(碳鏈的長短)、陰離子種類(BF4-1、PF6-1、Br-1、Cl-1)及超聲、微波輔助手段對離子液體萃取組胺性能的影響。

1　實驗部分

1.1試劑材料

乙腈、甲醇、丙酮為色譜純，德國Merck公司；氨水、乙酸銨、NaOH、NaH2PO4-H3BO3溶液為優(yōu)級純,上海國藥集團公司，上述溶劑使用前經(jīng)0.2μm濾膜過濾。丹磺酰氯(純度≥ 99 %)和組胺二鹽酸鹽(純度>99 %),購自Sigma公司;實驗涉及的離子液體系列產(chǎn)品(純度99 %)，為本室自制;本實驗用水均來自Milli-Q純水系統(tǒng)。

組胺標(biāo)準(zhǔn)貯備溶液：準(zhǔn)確稱取組胺二鹽酸鹽標(biāo)準(zhǔn)品0.500 0g于50mL容量瓶中，用超純水定容至刻度，配制成質(zhì)量濃度為10.0mg/mL的組胺標(biāo)準(zhǔn)儲備液，避光，4 ℃保存?zhèn)溆?；使用時采用逐級稀釋至所需濃度。

1.2儀器設(shè)備

Agilent1100液相色譜儀配紫外檢測器,Agilent公司；渦旋混合器,美國Talboys公司； 高速離心機,日立；LegendRT型離心機,德國Heraeus公司；KQ-2200型超聲波清洗器昆山市超聲儀器有限公司；全玻璃溶劑過濾器,美國Waters公司；家用微波爐，廣州美的生活電器公司；Milli-Q純水系統(tǒng),美國Millipore公司。

1.3色譜條件

色譜柱：AgilentXDBC18(250mm×4.6mm，5μm)；流動相：A，乙腈；B，乙酸銨(0. 02mol/L)；梯度洗脫條件見表1[22]。柱溫: 35 ℃；流速：1mL/min；進樣量：20μL；檢測波長：254nm。

表1　梯度洗脫條件

1.4實驗方法

實驗在已優(yōu)化的最佳參數(shù)條件下進行：取100μL組胺標(biāo)準(zhǔn)溶液(1.0μg/mL)于1.5mL離心管中，依次加入NaH2PO4-H3BO3溶液(pH8.0)200μL、丹磺酰氯溶液(10mg/mL)400μL，具塞室溫避光衍生化反應(yīng)40min，加體積分?jǐn)?shù)為20%的氨水-乙腈溶液100μL，靜置30min。將30μL的離子液體加入已衍生好的混合液中，超聲或微波2～4min，使離子液體均勻分散到溶液中形成均一穩(wěn)定的乳狀液，將溶液放入離心機中5 000r/min下離心處理4min，待分層清晰后，吸出離子液體層，用高效液相色譜儀進行定量分析；重復(fù)測定6次取平均值。萃取效率(E)為離子液體相中組胺的量與組胺總量的比值，按公式(1)計算。

其中:cIL、c0為組胺在離子液體相及標(biāo)準(zhǔn)工作溶液中的濃度；VIL、V0為離子液體相及標(biāo)準(zhǔn)工作溶液的體積。

2　結(jié)果與討論

2.1離子液體水溶性對萃取效率的影響

實驗考察了兩大類常用典型代表性離子液體(疏水性離子液體[C4MIM]PF6、[C6MIM] PF6、[C8MIM] PF6、[C10MIM] PF6和親水性離子液體[C4MIM] BF4、[C6MIM] BF4、[C8MIM] BF4、[C10MIM] BF4)對水質(zhì)組胺的萃取能力；其中，圖1為典型空白樣品及實際樣品的色譜圖，圖2為具體實驗結(jié)果。由圖2可以看出，本實驗條件下，親水性離子液體對水質(zhì)組胺的萃取能力整體略優(yōu)于疏水性離子液體對水質(zhì)組胺的萃取能力。

圖1　組胺樣品色譜圖(a)空白樣(b)典型陽性樣品Fig.1　Typical chromatograms for the histamine samples, (a) blank sample (b) typical positive sample

圖2　離子液體水溶性對萃取效率的影響Fig.2　Effect of water solubility on the extraction efficiency of histamine

依據(jù)經(jīng)典萃取理論來分析，在微波/超聲輔助萃取過程中，親水性離子液體更容易均勻分散到水質(zhì)組胺中去，以形成更多的囊泡、增大了接觸面積，盡而顯現(xiàn)出更強萃取富集組胺的能力。

2.2離子液體陽離子結(jié)構(gòu)對萃取效率的影響

咪唑作為五元雜環(huán)化合物，其1～5號位皆可被不同類別的取代基所取代而形成種類繁多的咪唑陽離子；其中，典型的咪唑類有機陽離子通常表現(xiàn)為1號位的H原子被烷基取代、3號位N原子的孤對電子與取代基形成大π鍵；對由此類有機陽離子與有機/無機陰離子組合形成的離子液體，在陰離子相同的情況下其取代基碳鏈的長短是影響離子液體熔點、密度、黏度等物理化學(xué)性質(zhì)的主要因素之一[23- 24]。本實驗研究了[CnMIM]X(n=4、6、8、10；X= BF4-1、PF6-1、Br-1、Cl-1)系列離子液體萃取富集組胺能力的變化規(guī)律，實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3　離子液體陽離子結(jié)構(gòu)對萃取效率的影響Fig.3　Effect of ionic liquid cation structure on the extraction efficiency of histamine

由圖3可知，咪唑五元環(huán)1號位取代基碳鏈的長度會對離子液體萃取富集組胺的能力產(chǎn)生顯著影響；隨著取代基碳鏈增長，BF4-1、PF6-1型離子液體萃取能力先增強后減弱，而Br-1、Cl-1型離子液體則呈現(xiàn)減弱趨勢。通常認為，離子液體的黏度隨著取代基碳鏈增長而增加、親水性減弱，其萃取組胺的能力相應(yīng)下降，Br-1、Cl-1型離子液體嚴(yán)格遵循此規(guī)律；BF4-1、PF6-1型離子液體所呈現(xiàn)的實驗結(jié)果，可能與BF4-1、PF6-1陰離子自身的體積較大、電荷分布復(fù)雜等特征有關(guān)。

2.3離子液體陰離子種類對萃取效率的影響

離子液體的物理化學(xué)性質(zhì)，不僅受陽離子的影響，也同樣受陰離子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的影響[25-27]，如在陽離子相同的情況下，陰離子體積越大、熔點越高，陰離子親水、離子液體親水，陰離子對稱性高、離子液體黏度大等。圖4為BF4-1、PF6-1、Br-1、Cl-1系列陰離子液體對萃取組胺能力的影響。

流體中不同陰離子種類圖4　離子液體陰離子種類對萃取效率的影響Fig.4　Effect of ionic liquid anion species on the extraction efficiency of histamine

從圖4中可以看出，對相同的[CnMIM]+(n=6、8、10)陽離子而言，陰離子對萃取能力的影響遵循BF4->PF6->Br->Cl-的規(guī)律；但對[C4MIM]+陽離子而言，卻呈現(xiàn)Br-1>Cl-1>BF4-1>PF6-1規(guī)律，分析可能與其碳鏈較短、黏度相對較低有關(guān)。

2.4輔助萃取手段對萃取效率的影響

為了更好提升離子液體萃取富集目標(biāo)物的實際效果，眾多研究者曾嘗試將各種輔助手段應(yīng)用到萃取過程中去，其中較為常見的為超聲[28-30]與微波[31-33]輔助；雖然二者基本原理不同(超聲為機械波、微波為電磁波)，但相關(guān)文獻證明在實際應(yīng)用中皆具有一定的效果。本研究在最佳實驗條件下，以 [CnMIM]Br(n=4、6、8、10)、[C4MIM]X(X= BF4-1、PF6-1、Br-1、Cl-1)為對象，討論對比了取得最大萃取效率的用時，如圖5所示；以[C4MIM] BF4、[C4MIM] PF6、[C4MIM] Br、[C4MIM] Cl為對象，對2種輔助手段對萃取能力的提升影響情況進行對比分析，具體結(jié)果見表2。

由圖5可知，對[CnMIM]Br系列離子液體而言，從時效角度考量，超聲輔助萃取手段優(yōu)于微波輔助手段；考慮其自身黏度變化的作用，離子液體側(cè)鏈取代基碳鏈越短，則輔助手段的時效性越高。反觀[C4MIM]X系列離子液體，2種輔助萃取手段所表現(xiàn)的時效性規(guī)律不夠明顯；對2種輔助手段而言，親水型離子液體(BF4-1)較疏水型(PF6-1)離子液體的時效性高，Br-1離子液體時效性相對于Cl-1離子液體表現(xiàn)出較好的時效性；由于2種輔助萃取手段工作原理的差異，微波手段對對稱性較好、體積較大的陰離子(BF4-1、PF6-1)型離子液體表現(xiàn)出較好的效果，而超聲手段則比較適用于體積較小、結(jié)構(gòu)簡單陰離子(Br-1、Cl-1)型離子液體。同樣，從表2可得出結(jié)論：陰離子(BF4-1、PF6-1)型離子液體宜選微波手段進行輔助萃取，超聲則更適用于陰離子(Br-1、Cl-1)型

離子液體萃取組胺的輔助手段。

圖5　輔助萃取手段對不同離子液體的時效性Fig.5　Effect of auxiliary extraction method on the time of extraction

離子液體超聲輔助(U)萃取效率/%前后提升比/%微波輔助(M)萃取效率/%前后提升比/%輔助手段選擇[C4MIM]BF442.3276.33180.3642.3284.35199.31U[C4MIM]PF627.2770.21257.4627.2782.33301.91U[C4MIM]Br47.3689.21188.3747.3681.22171.49M[C4MIM]Cl43.7786.93198.6143.7775.32172.08M

注：U- ultrasonic assisted；M- microwave assisted。

3　結(jié)論

離子液體作為一種安全、環(huán)保的萃取溶劑，可被應(yīng)用于水質(zhì)組胺的萃取富集，且效果較好。本文以典型咪唑類離子液體([CnMIM]X：n=4、6、8、10；X= BF4-1、PF6-1、Br-1、Cl-1)為萃取劑，對其萃取富集水質(zhì)組胺的性能進行了實驗研究，得到如下結(jié)論：

(1)同等實驗條件下，親水性離子液體的組胺萃取效率優(yōu)于疏水性離子液體。

(2)隨著離子液體烷基取代基碳鏈的增長，BF4-1、PF6-1型離子液體萃取能力呈現(xiàn)先增強后減弱趨勢，而Br-1、Cl-1型離子液體則呈現(xiàn)減弱趨勢。

(3)陰離子對離子液體萃取組胺效率的影響基本遵循BF4-1>PF6-1>Br-1>Cl-1的規(guī)律([C4MIM]+陽離子型離子液體除外)。

(4)萃取過程中常用的超聲、微波輔助萃取手段均能有效提升組胺的萃取效率，且前者適用于Br-1、Cl-1型離子液體、后者則較適用于BF4-1、PF6-1型離子液體。

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Study on the efficency of typical imidaxolium-based ionic liquid to extract water quality histamine

SONG Zhi-jun1*, CAI Mei-qiang2

1(School of Food Science and Biotechnology , Zhejiang Gongshang University, Hangzhou 310018, China) 2(School of Environmental Science and Engineering, Zhejiang Gongshang University, Hangzhou 310018, China)

The performance of the typical imidaxolium-based ionic liquid([CnMIM] X：n=4，6，8，10；X= BF4-1，PF6-1，Br-1，Cl-1)extraction and enrichment of the water quality histamine was studied by liquid - liquid micro-extraction and HPLC-UV detection. The results showed that the hydrophilic ionic liquid was better than the hydrophobic ionic liquids; with the increase of the carbon chain, the extraction ability of the PF6-1，BF4-1type ionic liquid was first increased and then decreased, while the Br-1，Cl-1type ionic liquid was weakened; The influence of anion on the extraction efficiency was followed the order of BF4-1>PF6-1> Br-1> Cl-1and the ultrasound and microwave assisted extraction can effectively improve the extraction efficiency of histamine. The former was suitable for Cl-1，Br-1type ionic liquid, the latter was more suitable for BF4-1，PF6-1type ionic liquid.

imidaxolium-based IL;extraction efficiency;histamine;dispersive liquid-liquid micro extraction; HPLC-UV

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201601042

博士研究生，講師(本文通訊作者，E-mail:zhijunsong@zjgsu.edu.cn)。

浙江省科技計劃項目(2014C37034)

2015-07-18，改回日期：2015-10-19